Биологическое обрастание или биологическое загрязнение — это накопление микроорганизмов , растений , водорослей или мелких животных там, где это нежелательно, на таких поверхностях, как корпуса кораблей и подводных лодок, устройствах, таких как водозаборники, трубопроводы, решетки, пруды и реки, которые вызывают деградацию основного назначения этого предмета. Такое накопление называется эпибиозом , когда поверхность хозяина — другой организм, и отношения не являются паразитическими. Поскольку биообрастание может происходить практически в любом месте, где присутствует вода, биообрастание представляет опасность для самых разных объектов, таких как корпуса и оборудование лодок, медицинские приборы и мембраны, а также для целых отраслей промышленности, таких как производство бумаги, переработка пищевых продуктов , подводное строительство и опреснительные установки.
Противообрастающее действие — это способность специально разработанных материалов (таких как токсичные биоцидные краски или нетоксичные краски ) [1] удалять или предотвращать биообрастание. [2]
Накопление биообрастания на морских судах представляет собой значительную проблему. В некоторых случаях может быть повреждена конструкция корпуса и двигательные системы. [3] Накопление биообрастания на корпусах может увеличить как гидродинамический объем судна, так и гидродинамическое трение, что приводит к увеличению сопротивления до 60%. [4] Было замечено, что увеличение сопротивления снижает скорость до 10%, что может потребовать увеличения топлива до 40% для компенсации. [5] Поскольку топливо обычно составляет до половины расходов на морские перевозки, методы защиты от обрастания экономят судоходной отрасли значительную сумму денег. Кроме того, увеличение потребления топлива из-за биообрастания способствует неблагоприятному воздействию на окружающую среду и, как прогнозируется, увеличит выбросы углекислого газа и диоксида серы от 38% до 72% к 2020 году соответственно. [6]
Биообрастание организмов весьма разнообразно и выходит далеко за рамки прикрепления усоногих рачков и морских водорослей. По некоторым оценкам, за биообрастание отвечают более 1700 видов, включающих более 4000 организмов. [7] Биообрастание делится на микрообрастание — образование биопленки и бактериальная адгезия — и макрообрастание — прикрепление более крупных организмов. Из-за особой химии и биологии, которые определяют, что мешает им осесть, организмы также классифицируются как типы твердого или мягкого обрастания. Известковые (твердые) обрастающие организмы включают усоногих рачков , корковых мшанок , моллюсков , таких как зебровые дрейссены , а также полихет и других трубчатых червей . Примерами неизвестковых (мягких) обрастающих организмов являются морские водоросли , гидроиды , водоросли и биопленочная «слизь». [8] Вместе эти организмы образуют сообщество обрастания .
Морское обрастание обычно описывается как следующие четыре стадии развития экосистемы. В течение первой минуты взаимодействие Ван-дер-Ваальса приводит к тому, что погруженная поверхность покрывается кондиционирующей пленкой органических полимеров. В течение следующих 24 часов этот слой позволяет происходить процессу бактериальной адгезии , при которой как диатомовые водоросли, так и бактерии (например, Vibrio alginolyticus , Pseudomonas putrefaciens ) прикрепляются, инициируя образование биопленки . К концу первой недели богатые питательные вещества и легкость прикрепления к биопленке позволяют вторичным колонизаторам спор макроводорослей (например, Enteromorpha intestinalis , Ulothrix ) и простейших (например, Vorticella , Zoothamnium sp.) прикрепляться. В течение двух-трех недель прикрепляются третичные колонизаторы — макрообрастатели. К ним относятся оболочники , моллюски и сидячие книдарии . [1]
Правительства и промышленность тратят более 5,7 млрд долларов США ежегодно на предотвращение и контроль морского биообрастания. [9] Биообрастание происходит повсюду, но наиболее существенно с экономической точки зрения для судоходной отрасли , поскольку обрастание корпуса судна значительно увеличивает сопротивление , снижая общие гидродинамические характеристики судна и увеличивая расход топлива. [10]
Биообрастание также встречается почти во всех случаях, когда жидкости на водной основе контактируют с другими материалами. Промышленно важные воздействия оказываются на поддержание марикультуры , мембранных систем ( например , мембранных биореакторов и спирально-навитых мембран обратного осмоса ) и циклов охлаждающей воды крупного промышленного оборудования и электростанций . Биообрастание может происходить в нефтепроводах, транспортирующих масла с вовлеченной водой, особенно в тех, которые транспортируют отработанные масла, смазочно-охлаждающие жидкости , масла, ставшие водорастворимыми в результате эмульгирования , и гидравлические масла . [ необходима цитата ] [11]
Другие механизмы, на которые влияет биообрастание, включают микроэлектрохимические устройства доставки лекарств, машины для производства бумаги и целлюлозы, подводные приборы, трубы противопожарной системы и форсунки спринклерных систем. [2] [8] В скважинах с грунтовыми водами накопление биообрастания может ограничить скорость потока восстановления, как это происходит снаружи и внутри океанских труб, где обрастание часто удаляется с помощью процесса очистки труб . Помимо вмешательства в механизмы, биообрастание также происходит на поверхности живых морских организмов, когда это известно как эпибиоз. [11] [ необходима цитата ]
Медицинские устройства часто включают в себя охлаждаемые вентилятором радиаторы для охлаждения их электронных компонентов. Хотя эти системы иногда включают в себя фильтры HEPA для сбора микробов, некоторые патогены проходят через эти фильтры, собираются внутри устройства и в конечном итоге выдуваются и заражают других пациентов. [12] Устройства, используемые в операционных, редко включают в себя вентиляторы, чтобы свести к минимуму вероятность передачи. Кроме того, медицинское оборудование, блоки HVAC, высокопроизводительные компьютеры, бассейны, системы питьевой воды и другие продукты, которые используют жидкостные линии, подвергаются риску биологического загрязнения, поскольку внутри них происходит биологический рост. [13]
Исторически в центре внимания было серьезное влияние биообрастания на скорость морских судов. В некоторых случаях может быть повреждена конструкция корпуса и двигательные системы. [3] Со временем накопление биообрастания на корпусах увеличивает как гидродинамический объем судна, так и фрикционные эффекты, что приводит к увеличению сопротивления до 60% [5] Дополнительное сопротивление может снизить скорость до 10%, что может потребовать увеличения топлива до 40% для компенсации. [5] Поскольку топливо обычно составляет до половины расходов на морской транспорт, биообрастание, по оценкам, обходится только ВМС США примерно в 1 миллиард долларов в год в виде увеличения расхода топлива, технического обслуживания и мер по контролю биообрастания. [5] Увеличение расхода топлива из-за биообрастания способствует неблагоприятному воздействию на окружающую среду и, как прогнозируется, увеличит выбросы углекислого газа и диоксида серы от 38 до 72 процентов к 2020 году. [6]
Биологическое обрастание также влияет на аквакультуру, увеличивая производственные и управленческие расходы, одновременно снижая ценность продукта. [14] Обрастающие сообщества могут напрямую конкурировать с моллюсками за пищевые ресурсы, [15] препятствовать получению пищи и кислорода за счет уменьшения потока воды вокруг моллюсков или мешать рабочему открытию их створок. [16] Следовательно, поголовье, затронутое биообрастанием, может испытывать снижение роста, состояния и выживаемости, что в свою очередь отрицательно сказывается на производительности фермы. [17] Хотя существует множество методов удаления, они часто влияют на культивируемые виды, иногда даже больше, чем сами обрастающие организмы. [18]
Судоходные компании исторически полагались на плановое удаление биообрастания, чтобы удерживать такие отложения на управляемом уровне. Однако скорость отложений может значительно различаться в зависимости от судна и условий эксплуатации, поэтому предсказать приемлемые интервалы между очистками сложно.
Производители светодиодов разработали ряд УФ-С (250–280 нм) оборудования, которое может обнаруживать образование биообрастаний и даже предотвращать их.
Обнаружение загрязнения основано на свойстве биомассы флуоресценции. Все микроорганизмы содержат естественные внутриклеточные флуорофоры, которые излучают в УФ-диапазоне при возбуждении. На длинах волн УФ-диапазона такая флуоресценция возникает из трех ароматических аминокислот — тирозина, фенилаланина и триптофана. Легче всего обнаружить триптофан, который излучает на 350 нм при облучении на 280 нм. [19]
Противообрастающее покрытие — это процесс предотвращения образования скоплений. В промышленных процессах биодисперсанты могут использоваться для контроля биообрастания. В менее контролируемых средах организмы убиваются или отталкиваются с помощью покрытий, использующих биоциды, термической обработки или импульсов энергии. Нетоксичные механические стратегии, которые предотвращают прикрепление организмов, включают выбор материала или покрытия со скользкой поверхностью, создание поверхности со сверхнизким загрязнением с использованием цвиттерионов или создание наномасштабных топологий поверхности, подобных коже акул и дельфинов, которые предлагают только плохие точки привязки. [1]
Нетоксичные антипригарные покрытия предотвращают прикрепление микроорганизмов, тем самым исключая использование биоцидов. Эти покрытия обычно основаны на органических полимерах. [20]
Существует два класса нетоксичных противообрастающих покрытий. Наиболее распространенный класс основан на низком трении и низкой поверхностной энергии . Низкая поверхностная энергия приводит к гидрофобным поверхностям. Эти покрытия создают гладкую поверхность, которая может предотвратить прикрепление более крупных микроорганизмов. Например, обычно используются фторполимеры и силиконовые покрытия. [21] Эти покрытия экологически инертны, но имеют проблемы с механической прочностью и долгосрочной стабильностью. В частности, через несколько дней биопленки (слизь) могут покрывать поверхности, что скрывает химическую активность и позволяет микроорганизмам прикрепляться. [1] Текущим стандартом для этих покрытий является полидиметилсилоксан , или PDMS, который состоит из неполярной основы, состоящей из повторяющихся звеньев атомов кремния и кислорода. [22] Неполярность PDMS позволяет биомолекулам легко адсорбироваться на его поверхности, чтобы снизить межфазную энергию. Однако PDMS также имеет низкий модуль упругости, что позволяет выпускать обрастающие организмы на скорости более 20 узлов. Зависимость эффективности от скорости судна препятствует использованию PDMS на тихоходных судах или тех, которые проводят значительное количество времени в порту. [2]
Второй класс нетоксичных противообрастающих покрытий — гидрофильные покрытия. Они основаны на высоком уровне гидратации для увеличения энергетического штрафа за удаление воды для прикрепления белков и микроорганизмов. Наиболее распространенные примеры этих покрытий основаны на высокогидратированных цвиттерионах , таких как глицин бетаин и сульфобетаин . Эти покрытия также имеют низкий коэффициент трения, но некоторые считают их превосходящими гидрофобные поверхности, поскольку они предотвращают прикрепление бактерий, предотвращая образование биопленки. [23] Эти покрытия пока не поступили в продажу и разрабатываются в рамках более масштабных усилий Управления военно-морских исследований по разработке экологически безопасных биомиметических корабельных покрытий. [4]
Биоциды — это химические вещества, которые убивают или отпугивают микроорганизмы, ответственные за биообрастание. Биоцид обычно применяется в виде краски, т. е. посредством физической адсорбции . Биоциды предотвращают образование биопленок . [1] Другие биоциды токсичны для более крупных организмов в биообрастании, таких как водоросли . Раньше в качестве биоцидов (и, следовательно, противообрастающих агентов) использовались так называемые соединения трибутилолова (ТБТ). ТБТ токсичны как для микроорганизмов, так и для более крупных водных организмов. [24] Международное морское сообщество постепенно отказалось от использования покрытий на основе оловоорганических соединений. [25] Заменой оловоорганическим соединениям является дихлороктилизотиазолинон . Однако это соединение также страдает от широкой токсичности для морских организмов.
Ультразвуковые преобразователи могут быть установлены внутри или вокруг корпуса малых и средних судов. Исследования показали, что эти системы могут помочь уменьшить обрастание, инициируя всплески ультразвуковых волн через среду корпуса в окружающую воду, убивая или денатурируя водоросли и другие микроорганизмы, которые формируют начало последовательности обрастания. Системы не могут работать на деревянных судах или судах с мягким композитным материалом, таким как дерево или пена. Системы были в общих чертах основаны на технологии, которая, как доказано, контролирует цветение водорослей. [26]
Импульсное лазерное облучение обычно используется против диатомовых водорослей . Технология плазменного импульса эффективна против зебровых дрейссенов и работает путем оглушения или уничтожения организмов с помощью микросекундной стимуляции воды высоковольтным электричеством. [8]
Аналогичным образом, другой метод, показавший свою эффективность против скоплений водорослей, заключается в том, что короткие высокоэнергетические акустические импульсы направляются вниз по трубам. [27]
Режимы периодического использования тепла для обработки теплообменного оборудования и труб успешно применялись для удаления мидий из систем охлаждения электростанций с использованием воды при температуре 105 °F (40 °C) в течение 30 минут. [28]
Медицинская промышленность использует различные энергетические методы для решения проблем бионагрузки , связанных с биообрастанием. Автоклавирование обычно включает нагревание медицинского устройства до 121 °C (249 °F) в течение 15–20 минут. Ультразвуковая очистка, УФ-излучение и химическая очистка или погружение также могут использоваться для различных типов устройств.
Медицинские приборы, используемые в операционных, отделениях интенсивной терапии, изоляторах, лабораториях биологического анализа и других зонах с высоким риском заражения, имеют отрицательное давление (постоянная вытяжка) в помещениях, поддерживают строгие протоколы очистки, требуют оборудования без вентиляторов и часто укрывают оборудование защитным пластиком. [29]
UVC- облучение — это бесконтактное, нехимическое решение, которое можно использовать в различных инструментах. Излучение в диапазоне UVC предотвращает образование биопленки, дезактивируя ДНК бактерий, вирусов и других микробов. Предотвращение образования биопленки предотвращает присоединение более крупных организмов к инструменту и, в конечном итоге, делает его неработоспособным. [30]
Биологическое обрастание, особенно судов, было проблемой с тех пор, как люди начали плавать по океанам. [31]
Самые ранние свидетельства попыток борьбы с обрастанием, а следовательно, и самые ранние свидетельства знаний об этом, — это использование смолы и медного покрытия в качестве противообрастающих растворов, которые приписывались древним мореплавателям, таким как финикийцы и карфагеняне (1500–300 гг. до н. э.). Воск, деготь и асфальт использовались с давних времен. [31] Арамейская запись, датируемая 412 г. до н. э., рассказывает о том, что днище корабля было покрыто смесью мышьяка, масла и серы. [32] В «Deipnosophistae» Афиней описал противообрастающие усилия, предпринятые при строительстве большого корабля Гиерона из Сиракуз (умер в 467 г. до н. э.). [33]
Записанное Плутархом объяснение влияния обрастания на скорость корабля выглядит следующим образом: «Когда водоросли, ил и грязь прилипают к его бортам, ход корабля становится более тупым и слабым; и вода, попадая на эту липкую массу, не так легко отделяется от нее; и это причина, по которой они обычно конопачут свои корабли». [34]
До XVIII века применялись различные методы борьбы с обрастанием, в которых использовались три основных вещества: «Белая штука» — смесь китового жира , канифоли и серы ; «Черная штука» — смесь дегтя и смолы ; и «Коричневая штука» — просто сера, добавленная к черной штуке. [35] Во многих из этих случаев цель этих обработок неоднозначна. Ведутся споры о том, были ли многие из этих обработок фактическими методами борьбы с обрастанием или же, когда они использовались в сочетании со свинцом и деревянной обшивкой, они были просто предназначены для борьбы с корабельными червями , сверлящими древесину .
В 1708 году Чарльз Перри предложил использовать медную обшивку в качестве средства против обрастания, но первые эксперименты были проведены только в 1761 году с обшивкой HMS Alarm , после чего днища и борта килей и фальшкилей нескольких кораблей были обшиты медными пластинами. [31]
Медь хорошо защищала корпус от вторжения червей и предотвращала рост водорослей, поскольку при контакте с водой медь образовывала ядовитую пленку, состоящую в основном из оксихлорида , которая отпугивала этих морских существ. Кроме того, поскольку эта пленка была слаборастворимой, она постепенно смывалась, не оставляя морской жизни возможности прикрепиться к кораблю. [ необходима цитата ] Примерно с 1770 года Королевский флот приступил к покрытию медью днищ всего флота и продолжал это делать до конца использования деревянных судов. Процесс оказался настолько успешным, что термин « медное дно» стал означать что-то очень надежное или безрисковое.
С появлением железных корпусов в 19 веке медная обшивка больше не могла использоваться из-за ее гальванического коррозионного взаимодействия с железом. Были опробованы противообрастающие краски , и в 1860 году в Ливерпуле была представлена первая практичная краска, получившая широкое распространение, и называлась «McIness» — горячая пластиковая краска. [31] Эти обработки имели короткий срок службы, были дорогими и относительно неэффективными по современным стандартам. [1]
К середине двадцатого века краски на основе оксида меди могли выдерживать корабль вне сухого дока до 18 месяцев или всего 12 месяцев в тропических водах. [31] Более короткий срок службы был обусловлен быстрым выщелачиванием токсичного вещества и химическим превращением в менее токсичные соли, которые накапливались в виде корки, которая препятствовала дальнейшему выщелачиванию активной окиси меди из слоя под коркой. [36]
1960-е годы принесли прорыв с самополирующимися красками, которые медленно гидролизуются , медленно выделяя токсины. Эти краски использовали оловоорганическую химию («на основе олова») биотоксинов, таких как оксид трибутилолова (ТБТ), и были эффективны в течение четырех лет. Эти биотоксины впоследствии были запрещены Международной морской организацией, когда было обнаружено, что они очень токсичны для различных организмов. [37] [38] ТБТ, в частности, был описан как наиболее токсичный загрязнитель, когда-либо преднамеренно сброшенный в океан. [24]
В качестве альтернативы оловоорганическим токсинам вновь появился интерес к меди как активному агенту в абляционных или самополирующихся красках, с заявленным сроком службы до 5 лет; а также другие методы, не включающие покрытия. Современные клеи позволяют наносить медные сплавы на стальные корпуса, не создавая гальванической коррозии. Однако медь сама по себе не является непроницаемой для диатомовых и водорослевых обрастаний. Некоторые исследования показывают, что медь также может оказывать неприемлемое воздействие на окружающую среду. [39]
Изучение биообрастания началось в начале 19 века с экспериментов Дэви , связывающих эффективность меди со скоростью ее растворения. [31] В 1930-х годах микробиолог Клод ЗоБелл показал, что прикреплению организмов предшествует адсорбция органических соединений, которые теперь называются внеклеточными полимерными веществами . [40] [41]
Одной из тенденций исследований является изучение взаимосвязи между смачиваемостью и эффективностью противообрастающих свойств. Другой тенденцией является изучение живых организмов как источника вдохновения для новых функциональных материалов. Например, механизмы, используемые морскими животными для ингибирования биообрастания на их коже. [42]
Исследования материалов, посвященных превосходным противообрастающим поверхностям для реакторов с псевдоожиженным слоем, показывают, что пластики с низкой смачиваемостью, такие как поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен высокой плотности и полиметилметакрилат («плексиглас»), демонстрируют высокую корреляцию между их устойчивостью к бактериальной адгезии и их гидрофобностью . [43]
Исследование биотоксинов, используемых организмами, выявило несколько эффективных соединений, некоторые из которых более эффективны, чем синтетические соединения. Буфалин , буфотоксим , оказался более чем в 100 раз более мощным, чем ТБТ, и более чем в 6000 раз более эффективным в противопоселенческой активности против морских желудей. [44]
Один из подходов к противообрастающим покрытиям подразумевает покрытие поверхностей полиэтиленгликолем (ПЭГ). [45] Выращивание цепей ПЭГ на поверхностях является сложной задачей. Решение этой проблемы может прийти с пониманием механизмов, с помощью которых мидии прилипают к твердым поверхностям в морской среде. Мидии используют адгезивные белки , или MAP. [46] Срок службы покрытий ПЭГ также сомнителен.